近年來隨著燃氣採暖熱水爐在我國分戶採暖市場得到廣泛使用,使得壁掛爐加地暖的組合形式以其安全、舒適、節能、環保、美觀等特點深受廣大使用者喜愛,並逐漸成為一種趨勢。
。
迴圈水泵作為整個地暖系統的動力來源,如果選擇不合理不但會造成水力失調,而且會使水泵偏離最佳工作點,效率降低,功耗增大,直接影響供暖的舒適度。
1、地暖迴圈水泵選型方法
地暖迴圈水泵選型的一般需根據水力計算的結果,得出地暖系統所需的水流量和克服地暖系統管網及壁掛爐本身阻力所需的揚程,綜合考慮迴圈水泵在地暖系統中的工作效率,從而選擇合適的揚程。
1.1
系統流量
G=3.6Q/C(Tg-Th) (1)
式中:G—供暖管網所需流量,m³/h;Q—房屋所需採暖熱負荷,kW;C—水的比熱,kJ/(kg·℃);Tg—供暖出水溫度,K;Th—供暖回水溫度,K;
Q=K1K2qA (2)
式中:Q—住房供暖所需熱負荷,kcal/h;K1—考慮鄰居採暖不同步的安全係數,此處取1.2;K2—考慮間歇供暖的安全係數,此處取1.2;q—標準住宅熱指標估算值,kcal/㎡;A—標準住宅建築面積,㎡;
1.2
系統阻力
系統阻力分為沿程壓力損失、區域性壓力損失及機器內阻。
1.2.1 沿程壓力損失計算公式如下:
Hf=λ×L/D×V2/2g (3)
式中:Hf—沿程壓力損失,mm/m;λ—摩擦阻力系數(並非定值);L—環路水管長度,m;D—管道內徑,m;V—水平均流速,m/s。
Re<2300,為層流流動:
λ=64/Re (4)
Re>2300為紊流流動:λ=0.316Re-0.25;式中:Re=VD/γ;式中:γ為動力粘度係數,㎡/s,用於判斷水流方式為層流或紊流。
1.2.2 區域性壓力損失計算公式如下:
∆P=102(G/KV0.01)2 (5)
式中:ΔP—區域性壓力損失,mmH2O;G—供暖管網所需水流量,I/h;KV0.01—流通能力(壓差等於0.01bar),l/h。
1.2.3 內阻
機器本身的內阻是一個實測值,由於壁掛爐行業起步較高,標準化程度較好,所以不同廠家的同一型別產品內阻相差不大。
1.3
迴圈水泵效率曲線
目前燃氣壁掛爐中所應用的水泵絕大部分為後向葉輪式離心泵,此種水泵效率較低,根據某水泵廠家提供的資料,其效率與流量曲線如圖1所示。
2、例項計算
以北京一套三室兩廳總面積為120㎡的住房為例。假設其採用冷凝壁掛爐加地暖形式採暖,房間、客廳(40㎡)、廚房、加衛生間共六條並聯支路。採用ZF25F×15-6-CJ/T251型號的分集水器,設計供水溫度為50℃,回水溫度為40℃。當所有支路全部開啟時,其沿程阻力最小、流量最大,當只打開其中最不利支路時,其沿程阻力最大、流量最小。經分析可知,客廳面積最大,鋪設管路最長,該支路便是所說的最不利支路。實測冷凝壁掛爐機器內阻:3.5,分以下兩種極端情況計算:
2.1
所有支路開啟
當所有支路全部開啟時,其環路阻力最小、流量最大,為最有利環路。
2.1.1 流量計算:
將各引數代入公式(2)可得供暖負荷:
Q1=1.2×1.2×60kcal/㎡×120㎡=10368kcal/h=12kW/h;
將各引數代入公式(1)可得水流量:
G1=3.6×12kW/h×4.1868×(50-40)℃=1.032m³/h;
對應水流速為:V1=G/S=0.58m/s
2.1.2 阻力計算
根據公式計算雷諾數Re=VD/γ=0.58×0.025/0.54×10-6=26852>2300為紊流流動;
再根據公式(5)計算λ=0.316Re-0.25=0.025;
將各引數代入公式(3)可得沿程阻力:
H1=λ×L/D×V2/2g=0.025×140m×(0.58m/s)2/0.025m×2×9.8=0.235m;
將各引數代入公式(5)可得區域性阻力:
ΔP1 =7×102×(G/KV0.01)×2=7×102×(1032/669)2=156mm=0.156m;
環路總阻力=沿程阻力+區域性阻力+機器內阻=0.235m+0.156m+3.5m=3.9m。
2.2
一條支路開啟
當只有客廳一條支路開啟時,其環路阻力最大、流量最小,為最不利環路。
2.2.1 流量計算
將各引數代入公式(2)可得供暖負荷:
Q2=1.2×1.2×60kcal/㎡×40㎡=10368kcal/h=4kW/h;
將各引數代入公式(1)可得水流量:
G2=3.6×4kW/4.1868×(50-40)℃=0.344m³/h;
對應水流速V=G/S=0.54m/s
2.2.2 阻力計算
首先根據公式計算雷諾數
Re=VD/γ=0.54×0.015/0.54×10-6=15000>2300為紊流流動;
再根據公式計算λ=0.316Re-0.25=0.028;
將各引數代入公式(3)可得沿程阻力:
H2=λ×L/D×V2/2g=0.028×140m×(0.54m/s)2/0.015m×2×9.8=0.388m;
將各引數代入公式(5)可得區域性阻力:
ΔP2=7×102(G/KV0.01)2=7×102×(344/669)×2=188.8mm=0.188m;
環路總阻力=沿程阻力+區域性阻力+機器內阻=0.388m+0.188m+3.5m=4.08m;
可以看出,該北京120㎡ 的住房採用冷凝壁掛爐加低溫地板輻射採暖系統需要的最大流量為1.032m³ /h,需要克服的最大系統阻力為4.3mH2O,理論上,揚程為5m、6m、7m的迴圈水泵都可滿足要求。
3、水泵選型
根據液體在管路中流動的管路特性方程:F=K+SG2 ;管道阻力與流量成二項式關係,將以上計算的點(Q、H)分別代入管路特性方程可得到最有利和最不利環路的管路特性方程,其對應管道特性曲線如圖2所示:
曲線1為最不利管路阻力曲線,也就是單開客廳迴路時的阻力曲線。曲線2為最有利管路阻力曲線,也就是所有支路同時開啟時的阻力曲線。
該套北京120㎡ 的房子實際工作時的管路特性在曲線1和曲線2之間,其對應5m的揚程水泵實際工作點在A、B兩點之間,流量區間是0.55m³ /h~1.05m³ /h,最大流速可達到0.59m/s;對應6m揚程的水泵實際工作點在C、D兩點之間,流量區間是0.6m³ /h~1.45m³ /h,最大流速為0.82m/s;對應7m揚程的水泵實際工作點在E、F兩點之間,流量區間是0.65m³ /h~1.8m³/h,最大流速為1m/s。
參考圖1的水泵效率曲線,考慮5m揚程的水泵實際工作區間效率過低,不適用於該地暖系統;7m揚程的水泵最大流速明顯過大,不適用於該地暖系統;6m揚程的水泵最大流速雖然超過0.8m/s,但是考慮到隨著使用時間的增長,地暖系統阻力會相應增大,一般在設計之初都會使工作點向右適當偏移,而且6m揚程的水泵在該地暖系統中提供的流量最接近其最高工作效率點,綜合考慮:6m揚程的迴圈水泵最適合該套地暖系統。
4、結 語
本文主要討論了低溫地板輻射採暖與迴圈水泵的適配性問題,地暖取暖一般採用並聯方式,使用者根據需要開啟部分支路取暖,因此實際實用的管路特性在不斷變化。文章透過分析最有利和最不利環路的情況,提出了地暖系統迴圈水泵的選擇方法,即在選擇迴圈水泵時應同時考慮以下四個條件:
①選擇地暖系統最有利的環路來計算系統流量,迴圈水泵能提供的最大流量應大於該系統最有利環路的水流量;
②選擇地暖系統最不利的環路來計算系統阻力,迴圈水泵所能提供的最大揚程應大於該系統最不利環路的系統阻力;
③在滿足水流量和系統阻力的情況下,還應考慮迴圈水泵的工作效率,儘量使迴圈水泵工作在最高效率區間或接近最高效率區間。
④地暖管路中水流速不宜小於0.25m/s,不宜大於0.8m/s,但考慮隨著管路使用時間的增加,阻力會相應增大,在設計之初應將設計工作點向右適當偏移。